авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
-- [ Страница 1 ] --

Работа выполнена на факультете почвоведения

Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

На правах рукописи

Ковалев Иван Васильевич

БИОГЕОХИМИЯ ЛИГНИНА В ПОЧВАХ

03.02.13 – Почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Москва – 2014 1 Оглавление Введение………………………………………………………………… 4 Глава 1. Состояние проблемы……………………………………….. 9 Биосинтез лигнина …………………………………………………………. 9 1.1.

Структура лигнина ……………………………………………………….. 14 1.2.

Источники лигнина ………………………………………………………... 23 1.3.

Разложение лигнина ……………………………………………………….. 29 1.4.

Роль лигнина в формировании гумуса почв (разложение, скорость 1.5.

трансформации лигнина в почве и его роль в гумусообразовании)……. Глава 2. Объект и методы исследования ………………………… 2.1. Характеристика объектов исследования ………………………………. 2.1.0. Экосистемы горизонтальной зональности……………………………… 2.1.1. Хвойные леса Красноярского края на серых лесных почвах………… 2.1.2. Экосистемы южной тайги (березово-осиновые) на светло-серых лесных и агросерых почвах Московской области……………………... 2.1.3. Дубово-липовые широколиственные леса на серых лесных почвах «Тульских засек»………………………………………………………… 2.1.4. Березовые колки лесостепи и агроэкосистемы Брянского ополья на агросерых почвах.................................................................................. 2.1.5. Агроэкосистемы луговых степей на черноземах Ставрополья……… 2.1.6. Тропические леса Амазонии на красноземах………………………… 2.1.7. Экосистемы вертикальной зональности ……………………………. 2.1.7.1. Почвы вертикального ряда аридных ландшафтов Тянь-Шаня…….. 2.1.7.2. Почвы вертикального ряда гумидных ландшафтов Северного Кавказа………………………………………………………................ 2.2. Методы исследования…………………………………………………… 2.2.1. Методы определения лигнина (продуктов окисления лигнина)……… 2.2.1.1. Метод мягкого щелочного окисления лигнина в тканях растений, подстилках, почвах.………………………………..………………… 2.2.1.2. Определение продуктов окисления лигнина в гранулометрических фракциях…...……………………………………………………………… 2.





2.1.3. Определение продуктов окисления лигнина на поверхности и внутри агрегата……………………………………………………..................... 2.2.1.4. Изучение лигниновых фенолов в гуминовых кислотах методом С-ЯМР-спектроскопии……………………………………………… 2.2.2. Химические методы исследования почв……………………………… 2.2.3. Методы определения биохимической активности почв……………… 2.2.4. Физические и водно-физические методы исследования почв….…….. 2.2.5. Дополнительные методы и подходы…………………………………… Глава 3. Биогеохимия лигнина в почвах...……………………... 3.1. Лигнин (лигниновые фенолы, VSC) в тканях растений………………… 3.2. Лигнин (VSC) в подстилках, ветоши…………………........................... 3.3. Лигнин (VSC) в корнях растений………………………………………… 3.4. Лигнин (VSC) в почве……………………………………………………… 3.4.1. Условия разложения лигнина в почве………………………………… 3.4.2. Лигнин (VSC) в почвах горизонтального и вертикального ряда…… 3.4.2.1. Степень измененности боковых цепочек лигнина в почвах по отношению к исходным растительным тканям ………………. 3.4.3. Лигнин (VSC) в почвах геохимически сопряженных катен………… 3.4.4. Влияние антропогенного воздействия (осушения и распашки) на деструкцию лигнина (VSC)…………………………………………. 3.4.5. Типы биотрансформации лигнина (VSC)……………………………… 3.4.6. Пул лигниновых фенолов разных уровней структурной организации почв………………………………………………………... 3.4.6.1. Распределение продуктов трансформации лигнина в почвенном профиле, горизонте, агрегатах…………………………….………… 3.4.6.2. Распределение продуктов окисления лигнина (VSC) в гранулометрических фракциях……………………………………. 3.4.6.3. Лигниновые фенолы как структурные фрагменты гуминовых кислот…………………………………………………………………... 3.4.6.3.1. Продукты окисления лигнина в гуминовых кислотах…………….. 3.4.6.3.2. Лигниновые фенолы в гуминовых кислотах дневных и погребенных почв по данным 13С-ЯМР-спектроскопии………… 3.4.5. Запасы лигнина в экосистеме…………………………………………... Глава 4. Механизмы стабилизации лигнина (VSC) в почве…. 4.1. Стабилизация лигнина (VSC) в восстановительных условиях……….. 4.2. Биоминералогия в почвах………………………………………………… 4.2.1. Органоминеральные взаимодействия лигнина (VSC) в почвах……… 4.3. Комплексообразование …………………………………………………… 4.3.1. Хелатообразование.......................................................…………………. 4.3.2. Органоминеральные фосфат-металл-гумусовые комплексные соединения…………................................................................................ 4.4. Стабилизация лигниновых фенолов в Fe-Mn ортштейнах………….. 4.5. Стабилизация лигниновых фенолов в погребенных почвах………… Глава 5. Лигнин в почвах как молекулярный индикатор палеорастительности………………………………………………. Заключение……………………………………………………………………... Выводы…………………………………………………………………………. Список литературы…………………………………………………………… Приложения……………………………………………………………………. Введение Неуклонное развитие методов тонкой биохимии почв и Актуальность.

использование нанотехнологий в почвенных исследованиях дают возможность взглянуть по-новому на устоявшиеся научные парадигмы, в том числе на теорию гумусообразования. Нарастает количество работ, в которых ставится под сомнение конденсационно-полимеризационная модель образования гуминовых кислот (Тюрин И.В., 1937;

Кононова М.М., 1963;





Flaig W., 1964, 1988;

Александрова Л.Н., 1980;

Stevenson F.J., 1982, 1994;

Гришина Л.А., 1986;

Schulten H.-R., Schnitzer M., 1993, 1997;

Орлов Д.С., 1974, 1994 и др.), выдвигается концепция физического закрепления продуктов метаболизма биоты (органических соединений индивидуальной природы) в почвенной матрице (Schmidt M.W.I. et al., 2011). Научное пространство занимает новая концепция молекулярной организации гуминовых веществ, основанная на базовых представлениях супрамолекулярной химии. Но, как и существующая парадигма Тюрина И.В., Кононовой М.М., Орлова Д.С. и др. о формировании гуминовых кислот и фульвокислот, так и новая супрамолекулярная концепция об образовании ассоциатов, оставляют без должного внимания вопрос о происхождении основных ароматических фрагментов гуминовых веществ и механизмах их дальнейшей трансформации в почвах. В результате, недостаточно изученным остается один из самых распространенных в биосфере биополимер, поступающий в почву с надземной и подземной биомассой растений, уникальный феномен природы – лигнин. На наш взгляд, именно поэтому, современные взгляды на пути гумусообразования и механизмы стабилизации органического вещества столь противоречивы.

Отсутствует единая методика, и не разработана методология изучения лигнина в почвах, обусловленная трудностью его биохимической диагностики в почвенных объектах. Нуждаются в исследовании пути и механизмы трансформации лигнина в системе «растение – почва» в разных биоклиматических зонах и ландшафтах (автоморфных, гидроморфных, равнинных, горных и т.д.). Отдельного рассмотрения требуют пути биотрансформации лигнина, распределения и стабилизации продуктов его окисления на всех уровнях структурной организации почвенной массы: в геохимически сопряженных катенах, по профилю почв, в почвенных агрегатах и конкреционных новообразованиях, в гранулометрических фракциях, на уровне молекулярных взаимодействий.

Лигнин, обладая высокой биохимической стабильностью, а также склонностью к конденсации за счет образования устойчивых С–С связей, что выделяет его из всех биополимеров, должен по праву занять свое место и в качестве надежного биомаркера при реконструкции палеосреды и индикатора биопротекторных функций гуминовых веществ, сыграть достойную роль в описании механизмов и процессов гумусообразования и в прогнозных моделях планетарного круговорота углерода.

Цель работы - выявление закономерностей поступления, состава и трансформации «лигнина» и его производных в почвах разных природных зон, изучение путей и механизмов стабилизации ароматических структур лигнина в почве, роли в процессах гумусообразования.

Задачи работы • Разработать методологию изучения «лигнина» в почвах и апробировать методику мягкого щелочного окисления для выделения составляющих лигнин фенолов из растительных тканей, дневных и погребенных почв и гранулометрических фракций из них, конкреционных новообразований, препаратов гуминовых кислот.

• Дать характеристику источников лигнина на примере изучения надземной и подземной биомассы различных экосистем зонального ряда равнинных и горных территорий, агро-антропогенных ландшафтов.

• Изучить композиционный состав лигнина в почвах различных горизонтальных и вертикальных природных зон.

• Оценить характер распределения продуктов окисления лигнина в почвах геохимически сопряженных ландшафтов.

• Исследовать пути трансформации биополимера лигнина в ряду «растительные ткани – опад – подстилка – почвы – гумусовые кислоты дневных почв – погребенные гумусовые кислоты» и его роли в гумусообразовании.

• Выявить условия стабилизации лигниновых фенолов в почвах.

• Оценить устойчивость лигнина в почвах к антропогенному воздействию.

Защищаемые положения:

1. Главным источником ароматических фенольных соединений в почвах является лигнин надземной и подземной биомассы высших растений. При этом доминирующая роль принадлежит подземным органам растений.

2. Независимо от географической приуроченности экосистемы, тип поступающего в почву продуктов окисления лигнина определяется разными типами растительных ассоциаций: в хвойных лесах доминируют гваяциловые (ванилиновые) фенолы, широколиственным и мелколиственным лесам свойственны равные пропорции ванилинов и сирингилов, в степных экосистемах доминируют феруловые фенолы, а в луговых сообществах – циннамиловые структуры.

3. Существуют разные ландшафтно-зональные типы трансформации лигнина в почвах: степной, лесной, луговый, тропический, агро-антропогенный и др. Для их характеристики могут быть использованы «лигниновые параметры»: (VSC (общее количество продуктов окисления лигнина) С/V (циннамилы/ванилины), S/V (сирингилы/ванилины), К/F (кумарилы/ферулы), кислоты/альдегиды, степень трансформации боковых цепочек лигнина по отношению к исходным растительным тканям (Т, %)).

4. Гетерогенность генезиса лигнина обуславливает возможность возникновения большого числа разнообразных продуктов его разложения (ароматических кислот и альдегидов), сохраняющих композиционный состав биополимера в ряду: «ткани растений – подстилка – почва – гуминовые кислоты – погребенные гуминовые кислоты».

5. Биохимический состав растений разных экосистем оказывает решающее влияние на характер гумификации, определяя механизмы гумусообразования и структуру гуминовых кислот.

6. Вероятные пути трансформации лигнина в почвах в зависимости от термодинамических условий среды: 1) стабилизация и консервация лигниновых полимеров в виде высококонденсированных многоядерных ароматических структур в восстановительных условиях, в аккумулятивных позициях ландшафта, внутри агрегатов, в глеевых горизонтах почв;

2) незначительная трансформация биополимера вследствие увеличения его растворимости в контрастной окислительно-восстановительной обстановке при сохранении неизменными главных лигниновых структур (ортштейны, металл органические комплексы, гуминовые кислоты);

3) деградация лигнинов в окислительной среде до более простых фенольных кислот – агентов почвообразовательных процессов и биохимических превращений;

4) конденсация при погребении.

Научная новизна работы.

• Разработана системная методология исследования биогеохимии лигнина в наземных экосистемах различных природных зон.

• Получены новые экспериментальные данные о полимолекулярном составе лигнина в разных типах растительных тканей: в древесине можжевельника (впервые), а также в хвое сосны, в степных злаках, луговом разнотравье.

• Дана количественная характеристика контрастных типов биогеохимических превращений в почвах зонального ряда: степной, лесной, луговый, тропический, агро-антропогенный.

• Впервые прослежен путь трансформации молекулы биополимера в ряду «растительные ткани – опад – подстилка – почвы – гумусовые кислоты дневных почв – погребенные гумусовые кислоты».

• На основе анализа ЯМР-спектров гуминовых кислот доказано участие лигниновых фенолов в формировании гумуса почв. Установлено, что структура молекулы гуминовой кислоты во многом определяется филогенетическим происхождением лигнина.

• Установлено участие лигниновых фенолов в агрегатообразовании, в формировании конкреций и гранулометрических фракций почв.

• Впервые установлено, что агро-антропогенное использование (осушение, распашка, производственное лесоразведение) вызывает ускоренную деструкцию макромолекулы лигнина.

Практическая значимость.

• Апробированная методика мягкого щелочного окисления органического вещества может быть использована для анализа содержания и состава лигнина в объектах наземных экосистем: не только в тканях растений, но и в дневных и погребенных почвах, включая минеральные малогумусные горизонты, в конкреционных новообразованиях, гранулометрических фракциях почв, препаратах гуминовых кислот.

• Полученные данные по химической структуре лигнина в растениях и почвах могут быть использованы в научных исследованиях, связанных с совершенствованием технологий химической переработки древесного сырья.

• Композиционные соотношения лигниновых фенолов, лигниновые параметры могут быть использованы в качестве органических маркеров:

степени гидроморфизма почв в катене геохимически сопряженных ландшафтов, индикатором типа дневной и палеорастительности, степени антропогенного воздействия.

ГЛАВА 1. Биосинтез, структура, источники, разложение лигнина и его роль в формировании гумуса почв.

1.1. Биосинтез лигнина Лигнин - аморфное вещество от светло-кремового до темно-коричневого цвета (в зависимости от способа выделения);

молекулярная масса от 1 до тыс., плотн. 1,25-1,45 г/см3 (Лигнины, под ред. К. В. Сарканена и К. Х.

Людвига, пер. с англ., М., 1975 (1971).

Лигнин расположен в клеточных стенках и межклеточном пространстве растений и скрепляет целлюлозные волокна. Основной структурный компонент оболочки клеточной стенки растительных клеток – целлюлоза представлена длинными неразветвленными полимерными молекулами, состоящими из 1000 11000 остатков b -D глюкозы, соединённых между собой гликозидными связями. Наличие гликозидных связей создаёт возможность образования поперечных стивок. Вместе с гемицеллюлозами лигнин определяет механическую прочность стволов и стеблей. Лигнифицированные клеточные стенки можно сравнить с железобетоном, где лигнин – это бетон, а фибриллы целлюлозы выполняют роль арматурных прутьев (Хелдт Г.-В., 2011). Кроме того, лигнин снижает проницаемость клеточных стенок для воды и питательных веществ. Таким образом, лигнин (от лат. lignum - дерево, древесина), природный полимер;

входит в состав почти всех наземных растений и по распространенности среди природных высокомолекулярных соединений уступает только полисахаридам. Название «лигнин» предложил в 1857 г. Шульце Ф., наряду с французским химиком Пайеном (Schulze F., 1857).

Точный механизм биосинтеза лигнина до сих пор не выяснен. Еще совсем недавно считалось, что формирование аморфной полимерной структуры происходит за счет случайного взаимодействия радикалов мономеров, димеров и олигомеров лигнолов. В настоящее время есть некоторые данные о том, что синтез лигнина регулируется внеклеточными гликопротеинами, которые получили название «дирижирующих белков», которые способствуют образованию различных полимерных структур, откладывающихся в строго определенных участках клеточной стенки (Хелдт Г.-В., 2011).

Еще в начале 30-х годов Эрдман Х. (Erdman H., 1950) предположил, что природные лигнины образуются при дегидрогенной полимеризации трех первичных спиртов: кониферилового, синапового и п-кумарового, как структурные единицы лигнина. Первые работы К. Фрейденберга (Freudenberg K., 1939) привели его к взгляду, что лигнин состоит из структурных единиц, определенным образом связанных друг с другом. Принцип полимеризации, как основной механизм образования лигнина, получил дальнейшее развитие в работах К. Фрейденберга, К. Кратцл (Freudenberg К., 1968) и других, которые внесли большой вклад в изучение структуры полимера и типов связи между мономерами (Стадников Г.Л.. 1937;

Манская С.М., 1948;

Fischer F., 1961;

Браунс Ф.Э., 1964;

Freidenberg К., 1968, 2003). В 50-60-е годы был получен новый экспериментальный материал о биосинтезе мономерных предшественников лигнина по шикиматному пути (Davis B.D., 1958;

Sprinson D.B., 1961;

Gibson F., Gibson M.J, 1964). В этом механизме биосинтезе ароматических соединений основными веществами служат промежуточные продукты метаболизма сахаров. Роль сахаров в процессе лигнификации подтвердили исследования (Hasegawa M., Higuchi T., 1960;

Kratzl K., Feigle H., 1960). С меченой глюкозой древесины сосны Pinus strobes, Eucaluptus nitens был подтвержден механизм образования лигнина через шикимовую кислоту. К этому времени существовало экспериментально обоснованное представление о синтезе лигнина древесными растениями, центральное место в котором отводилось коричной кислоте и ее окси- и метоксипроизводным. Наиболее приемлемая в настоящее время гипотеза образования лигнина в высших растениях может быть представлена следующей схемой по Freudenberg К., Neish A.C., (1968): СО2 сахара шикимовая кислота префеновая кислота фенилаланин производные коричной кислоты фенилпрапоноидные спирты лигнин (Блажей А., Шутый Л., 1973).

К настоящему времени есть положение, что лигнин синтезируется из монолигнолов – пара-кумарового, синапового (сиреневого) и кониферилового спиртов.

Рис. 1. Схема биосинтеза монолигнолов за счет восстановления соответствующих гидроксикоричных кислот (Хелдт Г.-В., 2011).

Образование монолигнолов происходит за счет восстановления карбоксильных групп соответствующих кислот до спиртов. Восстановление карбоксильной группы пара-кумаровой кислоты НАДФН (глицеральдегидфосфатдегидрогеназа) (см. рис.1) происходит через промежуточную стадию образования тиоэфира с КоА. Выделяющаяся при расщеплении тиоэфирной связи энергия активирует процесс восстановления карбоксильной группы альдегида. Дальнейшее восстановление спирта также протекает с участием НАДФН в качестве восстановителя. Ферменты, катализирующие процесс образования пара-кумарового спирта, могут участвовать в биосинтезе синапового и кониферилового спиртов из синаповой и феруловой кислот. Синаповый и конифериловый спирты также можно получить из пара-кумарового спирта при помощи последовательных реакций гидроксилирования и метилирования (Хелдт Г.-В., 2011).

Есть мнение, что свободные монолигнины полимеризуются по свободнорадикальному механизму, инициируемому окислением монолигнинов оксидазами, содержащими в клеточных стенках растений, о чем еще писала С.М. Манская в 1948 г.

На синтез 1 структурного фрагмента лигнина, например, такого простого, как коричная кислота, необходимо 105 АТР или примерно столько же энергии, сколько образуется при окислении 3-х молекул глюкозы: 3 глюкозы 114 АТР (глюкоза СО2 + Н2О + 38 ATP). Для синтеза коричной кислоты через путь шикимовой и префеновой кислот вещественно необходимо ещё 2 молекулы глюкозы (Норд Ф., Шуберт В., 1965). Итого, на синтез 1 структурного фрагмента лигнина (в частности коричной кислоты: С6Н5–СН2=СН–СООН) минимально необходимо 5 молекул глюкозы. На синтез же 5 молекул глюкозы необходимо 330 АТР. Таким образом, на синтез одного структурного фрагмента лигнина требуется не меньше пяти молекул глюкозы (без учета расходов на их транспорт). При ассимиляции же растениями аллохтонных фрагментов лигнина (например, в виде арилгликопротеидных фрагментов ГВ) растение «экономит» часть молекулы глюкозы (Попов А.И., Чертов О.Г., 1997;

Попов А.И., 2004).

В исследованиях последних лет большое внимание уделяется изучению ферментативных систем, катализирующих полимеризацию при образовании лигнина. Была обнаружена корреляция между лигнификацией и содержанием -гликозиды, пероксидазы и фенолоксидазы. Позже обнаружено, что углеводы (4-О--D) глюкозиды являются необходимыми компонентами таких молекул, отвечающих за введение метоксильных групп в ароматические кольца лигнина (Matsui N., Chen F., Yasuda S., Fukushima K., 2000). К настоящему времени предполагается, что монолигнолы транспортируются к месту синтеза в форме гликозидов, где подвергаются гидролизу под действием гликозидаз.

Дальнейшая полимеризация монолигнолов, возможно, происходит при участии лакказ и пероксидаз (рис. 2).

Рис. 2. (Хелдт Г.-В., 2011). а. Окисление монолигнола при участии лакказ и пероксидаз приводит к образованию фенольного радикала, стабильность которого обусловлена делокализацией неспаренного электрона и его сопряжением с другими связями монолигнола. б. Монолигнолы способны димеризоваться и полимеризоваться, формируя аморфный полимер разветвленной структуры – лигнин.

Лакказа – это монофенолоксидаза, которая катализирует окисление фенольной группы и участвует в процессе переноса атома водорода фермент связанным ионом Cu2+ на молекулярный кислород О2. По последним данным роль лакказ в формировании лигнина незначительна Основную роль в этом процессе играют пероксидазы (Носов А.М., предисловие к русскому изданию, Хелдт Г.-В., 2011). Окисление фенольной единицы при помощи Н2О2 в присутствии пероксидаз приводит к образованию радикалов монолигнолов.

Свободные фенольные радикалы димеризуются и полимеризуются в различных комбинациях за счет образования С-С и С-О-С связей, формируя высокоразветвленную полимерную структуру лигнина. В боковых цепях лигнина часто присутствуют свободные гидроксильные группы, которые могут окисляться до альдегидов и карбоксилов (Хелдт Г.-В., 2011).

Вместе с тем, невыясненным остается главный вопрос биосинтеза лигнина: каким образом осуществляются упорядочивание мономерных фрагментов и их внутримолекулярная сшивка? (Whetten R., Sedoroff R., 1995;

Matsui N., Chen F., Yasuda S. et al., 2000;

Drage T.C., Vane C.H., Abbott G.D., 2002;

Freudenberg K., 2003, Пересыпкин В.И., Романкевич, Е.А., 2010).

1.2. Структура лигнина Изучению структуры лигнина обязаны работам П. Класона (Klason P., 1893, 1931, 1932), который установил, что лигнин построен из фенилпропановых структурных единиц. С тех пор ароматический характер считается главной чертой лигнина.

С бензольным ядром молекулы связаны основные функциональные группы: метоксильная, гидроксильная, фенилпропановая (спиртовая) боковая цепь. Лигнин - нерегулярный полимер. Его разветвленные макромолекулы построены главным образом из остатков замещенных фенолоспиртов (см. ф лу): 3-метоксигидроксикоричного, или кониферилового (I), 3,5-диметокси-4 гидроксикоричного, или синапового (сиреневого, II), и n-гидроксикоричного, или n-кумарового (III). Соотношение структурных фрагментов в лигнинах различного происхождения неодинаково. Лигнин древесины хвойных пород включает в основном остатки спирта I, лиственных пород - спиртов I и II, травянистых растений и некоторых древесных пород - также спирта III (Браунс Ф.Е., 1964;

Шуберт, 1968;

Запрометов, 1974;

Блажей А., Шутый Л., 1977). По международным правилам IUPAC (Anoin J., J. Am. Chem. Coc., 82, 5552, 1960) углеродные атомы в боковой цепи коричных спиртов обозначаются,,, начиная от конца цепи и кончая ближайшим к ядру атомом.

H2COH H2COH H2COH CH CH CH CH CH CH OCH3 H3CO OCH OH OH OH I II III Рис. 3. Структурные фрагменты лигнина:

0 — обобщённый структурный фенилпропановый [C6C3] фрагмент лигнина, в котором: R: H, C;

R1: H, OCH3;

R2: H, OCH3, C;

R3: OH, OAlk, OAr, где Alk — алкил и Ar — арил;

R4: OAr, C;

R5: OH, C;

в ряде случаев HCR3 = C=O, HCR = C=O, HCR5 = HC=O, кроме того С-атомы в положениях 2 и 6 бензольного кольца могут быть связаны с С-атомами соседних структурных фрагментов лигнина;

I – n-кумаровый, II – конифериловый и III – синаповый спирты представляют собой основные три типа мономерных предшественников лигнина.

Неслучайно Орлов Д.С. указывал: «поэтому крайне интересно было бы проследить за соотношением этих фрагментов в ГК почв хвойных и лиственных лесов, а также лугов (степей)» (Орлов Д.С., 1990).

Многообразие связей, которые возникают между структурными фрагментами лигнина, приводит к формированию полимеров нерегулярного строения с широко разветвленной структурой и системой сопряжения.

Соотношение структурных единиц в лигнинах различного происхождения многообразно. Так, в лигнине хвойных пород преобладают гваяциловые (конифериловые) структуры, а в лиственных - синаповые (сиреневые). В лигнинах травянистых растений превалируют п-кумаровые структуры (Сарканен К.В., Людвиг К.Х., 1975). Макромолекула лигнина характеризуется пространственной сложностью химической структуры. Это обусловлено не только разным сочетанием основных фенилпропановых структурных фрагментов лигнина, но и разнообразием связей между мономерами и нерегулярностью их чередования.

Рис. 4. Схематическое представление фрагмента лигнина хвои и структура трех лигниновых спиртов (Adler, 1999).

В макромолекуле лигнина имеются эфирные С–О–С и углеродные С–С связи (Манская С.М., Кодина Л.А., 1975). Эфирные связи образуются за счет фенольного гидроксила одного мономера и гидроксильной группы. В качестве заместителей в ароматическом кольце могут быть атомы и группы: Н, С–, – ОСНз;

в пропановой цепочке –ОН, –О–, =С=О и др. (Манская С.М., Кодина Л.А., 1975;

Орлов Д.С., 1985). Основные углерод-углеродные связи в макромолекуле лигнина образуются между бензольными кольцами, боковыми цепями, а также между кольцами и цепями и эти связи более прочные, чем эфирные.

Содержание метоксильных групп служит превосходной (–ОСН3) аналитической характеристикой чистых (не содержащих сахаридов) препаратов лигнина, так как количество этих групп возрастает в ряду растений от Bryophytes к Angiospermae. Содержание метоксильных групп составляет от до 17 % в лигнине хвойных пород и от 17 до 22 % – в лигнине лиственных пород (Чудаков М.И., 1983). В хвойных лигнинах массовая доля углерода (60...65%) выше, чем у лигнинов лиственных (55...60%), вследствие большего содержания в последних метоксильных групп и, следовательно, кислорода (Манская С.М., Кодина Л.А., 1975). Другими очень важными функциональными группами являются гидроксильные группы, которые могут находиться при бензольном ядре (фенольные) и в пропановом остатке (спиртовые). Различие этих двух родов гидроксилов служит очень существенной характеристикой лигнина. Количество гидроксилов составляет 1 8 %. Помимо спиртовых гидроксилов в пропановой цепочке существуют другие функциональные группы. По международным правилам IUPAC (Anoin J., J.

Am. Chem. Coc., 82, 5552, 1960) углеродные атомы в боковой цепи коричных спиртов обозначаются,,, начиная от конца цепи и кончая ближайшим к ядру атомом. Другой важной функциональной группой в боковой пропановой цепочке явлются карбонильные группы, хотя исследования карбонильных групп лигнина нельзя считать завершенными. В боковой пропановой цепи карбонильные группы представлены лактонными, кетонными и альдегидными группировками (Александрова Л.Н., На начальной стадии 1980).

трансформации лигнин содержит немного карбоксильных групп СООН – около 80-100 мг-экв/100 г (Орлов Д.С., 1985).

Необходимо отметить наиболее важные реакции функциональных групп лигнина (Блажей А., Шутый Л., 1977). Так ароматическое ядро подвергается реакции электрофильного замещения при действии галогенов, в первую очередь хлора. Лигнин легко хлорируется в положения 5 и 6 ароматического кольца;

одновременно происходит деметилирование метоксильных групп, замещение атомом Сl боковой цепи, гидролиз простых эфирных связей между элементарными звеньями и окисление, приводящие к деструкции макромолекулы. Нитрование лигнина осуществляется так же легко, как и хлорирование, но в большей степени осложнено реакциями окисления. Азотная и азотистая кислота также действуют как электрофильные агенты. Они способствуют перемещению боковой цепи и окислительному деметилированию.

В то же время, нуклеофильные агенты реагируют и с боковой цепью, особенно с бензильным атомом углерода, так же и со свободными фенольными группами.

Важную роль играют гидролитические процессы. При обработке лигнина минеральными кислотами и основаниями лигнин гидролизуется. Необходимо, однако, помнить, что сильные кислоты одновременно способствуют образованию продуктов конденсации – окрашенных в темный цвет смолистых веществ. Поэтому в химии лигнина пользуются преимущественно мягкими сольватическими реакциями, приводящими к отщеплению низкомолекулярных веществ, легко поддающихся индентификации (Сарканен К.В., Людвиг К.Х., 1975). При мягком кислотном гидролизе в первую очередь отщепляются периферические низкомолекулярные фрагменты лигнина, тогда как внутренние части макромолекулы остаются малодоступными. Мягкий щелочной гидролиз лигнина, при котором, главным образом отщепляются n-оксифениловые эфиры наряду с некоторым количеством арилглицерил--ариловых эфиров, приводит к тем же самым лигнолам, что и мягкий кислотный гидролиз (Harkin J.M., 1969).

Окисляющие агенты, например окись меди, ртути и серебра, нитробензол в щелочной среде использовались для окисления лигнина, особенно щелочное окисление нитробензолом под давлением (Krschner K., 1969;

Reale M.I., 1965;

Cymbaluk N.F., Neudoerffer T.S., 1970). Мягкое избирательное окисление лигнина нитробензолом в щелочной среде служит для оценки его изменения при выделении или в других процессах. При этом расщепляются связи между - и -углеродными атомами в звеньях макромолекулы, содержащих бензилспиртовую группу или связь С=С, в результате чего образуется смесь гидроксиароматических альдегидов (сиреневый, ванилин и n оксибензальдегид) и кислот.

Помимо упомянутых, наиболее важных реакций, известны и многие другие реакции лигнина с самыми разнообразными реагентами (Блажей А., Шутый Л., 1977), что связано главным образом с его использованием. Важно отметить, что «лигнины», выделенные различными способами, отличаются по составу и свойствам как от продукта в нативной форме (протолигнина), так и друг от друга. Так, при использовании этанола извлекается лишь небольшая его часть: из хвойной древесины до 3%, из лиственной до 7% (лигнин Браунса).

Растворимость возрастает в результате интенсивного размола (например, в вибромельницах) древесной муки, суспендированной в жидкости, не вызывающей набухания лигнина, например в толуоле. Последующей экстракцией диоксаном при комнатной температуре из древесины хвойных пород извлекают до 50% лигнина (лигнин Бьёркмана, или лигнин молотой древесины). Последний, наиболее близок по составу и свойствам к протолигнину. Выход ванилина и ванилиновой кислоты из малоизмененного лигнина Бьёркмана составляет 33,4%, из сернокислотного лигнина - всего 6,7% (Богомолов Б. Д., 1973;

Сарканен К. В., Людвиг К. Х. 1975).

Таким образом, к химическим доказательствам относятся результаты определения элементного состава и получение из лигнинов и древесины мономерных ароматических продуктов деструкции. К физическим доказательствам ароматической природы лигнина относятся: показатель преломления лигнина, типичный для ароматических (фенольных) соединений (около 1,6);

максимумы поглощения в УФ-спектрах лигнина при длинах волн, соответствующих поглощению ароматических хромофоров, и полосы поглощения в ИК-спектрах лигнина, характерные для бензольного кольца.

Поглощение УФ-излучения клеточными стенками древесины, послужившее доказательством наличия в ней ароматического природного лигнина, используется для изучения распределения лигнина в клеточных стенках (Блажей А., Шутый Л., 1977) и другие показатели (Кочева Л.С., 2008).

Изучение лигнина подтвердило, что характерной особенностью структуры лигнина является его склонность к реакции конденсации. В результате этого даже очень мягкого ацидолиза в лигнине значительно увеличивается содержание конденсированных структур за счет образования новых устойчивых С–С связей. Это свойство лигнина резко выделяет его среди других природных полимеров и во многом определяет его поведение в биохимических процессах. Лигнины характеризуются чрезвычайной сложностью химической структуры, неоднородностью по мономерному составу и типам межмономерных связей (Fuchs W., 1931, 1936;

Freudenberg K., 1932;

Браунс Ф.Э., Браунс Д.А., 1964;

Фрейденберг, 1968, 2003;

Nelson P.F., Lignins …, 1971;

Несмеянов Н.А., 1974;

Манская С.М., Smith, J.G., 1966;

Кодина Л.А., 1975;

Сарканен К.В., Людвиг К.Х., 1975;

Блажей А., Шутый Л., 1977;

G.E. Maciel et. al., 1981;

Брунов Г., 1982;

J.O. Skjemstad et. al., 1983;

Чудаков М. И., 1983;

Saiz-Jimenez C., de Leeuw J.W., 1986;

Фенгель Д., Вегенер Г., 1988;

Lignin biosynthesis, 1995;

Whetten R., Sedoroff R., 1995;

Cody G.D., Saghi-Szabo G., 1999;

Matsui N., Chen F., Yasuda S. et. al., 2000;

Payne D.F., Ortoleva P.J, 2001;

Hernes P.J., Benner R., 2002, 2003;

Карманов А.П. и др., 2002;

Кочева Л.С., 2008 и многие др.). На сложность химической структуры еще И.В.

Тюрин, (1937) указывал: «лигнин высокомолекулярное вещество по Фрейденбергу, или, лучше сказать, смесь очень близких по своей природе веществ, которые будучи построены по одному типу практически бесконечных цепей, как в целлюлозе, могут в известных пределах варьировать по составу и свойствам отдельных элементов цепи». Неоднородность лигнина прослеживается на всех уровнях исследования отдельных растений и растительных групп (Манская С.М., Кодина Л.А, 1975;

Cody C.D., Saghi Nelson P.F., Smith J.G., 1996.;

Payne D.F., Ortoleva P.J., 2001а, Szabo G., 1999;

2001 b.;

Ковалева Н.О., Ковалев И.В., 2006, 2009).

Несмотря на большие успехи, связанные с использованием двумерной Фурье-спектроскопии на ядрах 1Н и С ЯМР и раманавской спектроскопии (Сильверстейн Р., Вебстер Ф., Кимл Д., 2012), высокоразрешающей электронной микроскопии в проходящем свете спиновой метки, фрактального подхода и теории самоподобия, пространственное строение макромолекулы достоверно неизвестно из-за сложных разнотипных межкомпонентных и непостоянных связей с другими органическими соединениями.

В настоящее время сложная топологическая структура лигнина в растениях описывается более или менее адекватно нативному лигнину двумя моделями: гипотезой гель-структуры (Coring J., 1982) и скейлинговой (Кокоревич И.А., 1989, Пен В.Р., Пен Р.З. и др., 1998). Фрактальная концепция для описания надмолекулярной структуры лигнина нашла продолжение в работах (Карманов А.П., 2004;

Кочева Л.С., 2008;

Долгоносов Б.М., 2009 и др.).

Рис. 5. Модель водорастворимого лигносульфонатного микрогеля для молекулярного веса 5000 (Goring, 1982) По гипотезе гель-структуры (Coring J., 1982) лигнин – это компактный микрогель сетчатой структуры, не отдающий полностью воду и склонный к ограниченному набуханию, частицы которого сильно разветвлены и чрезвычайно полидисперсны.

Коллоидные свойства лигнина имеют значение главным образом для его растворов. Из зависимости гидродинамических параметров от молекулярного веса можно заключить, что молекулы растворимых лигнинов не являются твердыми, непроницаемыми для растворителя сферическими частицами. Они не обнаруживают совершенного гауссовского поведения линейных полимеров.

В действительности частицы микрогеля не имеют шарообразной формы, сильно разветвлены и, кроме того, чрезвычайно полидисперсны. Таким образом, эта концепция базируется на теории о сетчатом строении лигнинов, согласно которой все лигнины, вне зависимости от биологической предыстории, являются пространственно-сшитыми системами микрогелевого типа.

В последнее время, в связи с новыми данными о структуре макромолекул лигнина, появляются новые интерпретации (Карманов А.П., Беляев В.Ю., Кочева Л.С., 2010). В частности, в работе (Lewis N.G., Davin L.B., 2005) утверждается, что макромолекула лигнина из резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.) имеет линейную структуру, построенную в основном из монолигнолов сирингильного типа. Аналогичный вывод сделан по результатам изучения лигнинов из соломы злаков (Кочева Л.С., 2008). С другой стороны, по данным Н.И. Афанасьева (Афанасьев Н.И., 1996), лигнины ели характеризуются как хаотически разветвленные биополимеры, лигнины осины и березы (Карманов А.П. с соавт., 2002) - как звездообразные биополимеры. Эти данные позволили (Карманов А.П., 2007) выдвинуть новую гипотезу – о существовании различных универсальных классов лигнинов в соответствии с биологической систематикой, в этой гипотезе, в отличие от общепринятых представлений, постулируется многообразие топологических структур. Тем самым подтверждается мысль о разной структуре молекул лигнина из разных типов растительности (Ковалева, Ковалев, 2006, 2009). У них разная форма, клубки, линейная структура, звездообразные полимеры и т. д. У нас (Ковалев, Ковалева, 2008;

Ковалева, Ковалев, 2009) – разные схемы ароматической и периферической частей, следовательно, и разная роль в гумусообразовании.

1.3. Источники лигнина Лигнин, по мнению В.И. Вернадского (1960), одно из распространенных в природе тел, создаваемых жизнью. Действительно, в процессе фотосинтеза ежегодно образуется около 200 млрд. тонн растительной биомассы, 70-90 % сухого веса которой, составляют лигноцеллюлозы, а лигнификация клеточных стенок (лигнин заполняет промежутки между рядами целлюлозы) – важнейший этап эволюции растительного мира. Ежегодно растения суши дают первичную продукцию, приблизительно равную 70•1015г Сорг./год (Башкин В.А., Касимов Н.С., 2004) причем листва и травы составляют лишь 20 % наземной биомассы, но именно они обеспечивают до 80 % автотрофного потока углерода на суше, так как наименее устойчивы к разложению, а содержание лигнина в продукции наземных растений составляет в среднем 25 %. Таким образом, на суше создается 17•1015г Слигнина/год, поступает в океан с суши 17•1012г Слигнина/год, а захоранивается в донных осадках 5,0 – 7,5•1012г Слигнина./год (Нedges J.I., 1978;

Пересыпкин В.И., Романкевич Е.А., 2010). Тинсли И. (1982) подсчитал, что ежегодно 15•109 т СО2 превращается в древесину. По данным Родина Л.Е., Базилевич Н.И. (1965) содержание лигнина в различных растениях составляет, как правило, 15-36 %, при этом в древесине ели – в среднем 25 %, в древесине бука – 22 %, в других лиственных породах – 14-25 %.

Исследования Гришиной Л.А., Копцик Г.Н., Макарова М.И. (1990) показали, что в опаде лесных биогеоценозов (БГЦ) Валдайской возвышенности сохраняются основные особенности химического состава фитомассы. С опадом на поверхность почвы поступают ежегодно сотни и тысячи кг/га органических компонентов, среди которых преобладают лигнин и целлюлоза. Так, в сосняке бруснично-зеленомошном наблюдается возрастание химических компонентов (кг/га) в ряду: водорастворимые органические вещества (ВОВ) (фенолы – 6,5;

углеводы – 131), белки – 132, липиды – 246, целлюлоза –700, лигнин – кг/га, а в ельнике кисличном с неморальным разнотравьем также преобладает лигнин: (ВОВ: фенолы – 21;

углеводы – 120), белки – 450, липиды – 740, целлюлоза – 1904, лигнин – 2190 кг/га.

Богатырев Л.Г. с соавт. показали, что в условиях однотипного древостоя (сосновые леса) и гранулометрии почв (легкий гранулометрический состав) запасы лигнина составляют 15-30 т/га с тенденцией преимущественного накопления лигнина в нижних горизонтах (слоя) подстилки. При этом содержание лигнина довольно закономерно увеличивается по профилю (от О1 к О3) в подстилках всех географических зон Русской равнины, содержание кислоторастворимого лигнина во всех типах подстилок максимально в их нижних горизонтах, что обусловлено большей степенью гумифицированности в последнем горизонте (слое).

Ковалева Н.О., Ковалев И.В. (2006);

Ковалев И.В., Ковалева Н.О. (2013) установили, что наибольшее содержание лигниновых фенолов свойственно не надземным, а подземным тканям растений. Во всех случаях – будь то древесный или травянистый растительный покров – преобладает лигнин корней – до 66 мг на грамм углерода в древесине корней можжевельника и до 46 мг – в корнях злаков на глубине 0-30 см и 49 мг – на глубине 30-60 см. Коэффициент корреляции содержания лигнина в почве и биомассы корней – 0.92-0. (Р=0,95).

Вместе с тем, тонкие корни (в русской литературе – мелкие корни) (до мм) – очень динамичный, богатый питательными элементами пул растительного вещества, роль которого в процессах биотического круговорота в экосистемах осознана, но до конца не изучена в последние двадцать пять лет (Базилевич Н.И., Титлянова А.А., 2008). Тонкие корни имеют различную продолжительность жизни - от нескольких дней до нескольких месяцев и богаты элементами питания (Hermann R.K., 1977).

Уже первые исследования участия тонких корней в цикле углерода в лесах показали высокую динамичность данного компонента и его большой вклад в общую продукцию (Persson H. 1978). По Р. Джексону (Jackson R.B., Mooney H.A., Schulze D.E., 1977) максимальны запасы тонких корней в травяных экосистемах умеренного климата и саваннах, где длина в слое почвы площадью 1 м2 достигает 60-112 км. Однако оценка массы и продукции тонких корней является сложной задачей и общепринятой процедуры отбора из почвы тонких корней и расчета их продукции до сих пор не существует (Титлянова А.А., Косых Н.П., Миронычева-Токарева Н.П., Романова И.П. 1996). Надо принимать во внимание, что улучшение баланса органического вещества, углерода (гумуса) и азота в почвах происходит за счет накопления обильной корневой массы, запасы которой в 2-4 раза превосходят запасы надземной массы (Косолапов В.М. с соавт., 2012).

Лигнин присутствует не только в кустарниках, травах, но и в пыльце и спорах растений, среднее содержание, которого, может составлять 15-20 %, а в оболочках семян различных плодов содержание лигнина может достигать около 36 %. Пересыпкин В.И. и др. (2003) установили, что 12 % лигнина от содержания общего углерода в копре кокосового ореха, а в эстуарных зонах рек тропических районов Мирового океана преобладающим компонентом органического вещества донных осадков может служить лигнин мангровых зарослей и тропической растительности.

Во мхах лигнин был впервые обнаружен в 1959 г. (Манская С.М., 1959).

Последующие исследования Манской С.М., Кодиной Л.А. (1966) показали, что в плодоножках мха (Polytrichum commune) содержится n-оксибензальдегид, а в коробочках и колпачках – ванилин и n-оксибензальдегид. Гришина Л.А. и др.

(1990) показали наличие лигнина в надземном опаде лесных биогеоценозов (БГЦ) Валдайской возвышенности, где во мхах сосняка бруснично зеленомошного содержание лигнина составило – 32 кг/га по сравнению с общим лигнином всего БГЦ в 1030 кг/га. Во мхах ельника кисличного с неморальным разнотравьем содержание диоксанглигнина достигло всего лишь 0,9 кг/га от всего лигнина в БГЦ 2190 кг/га. Лигниновые структуры обнаружены у различных видов торфяных мхов, при этом некоторые семейства низших сосудистых растений имеют высокую степень лигнификации, а другие - низкую (Манская С.М., Кодина Л.А., 1966). По данным Бамбалова Н.Н. (2011) в препаратах диоксанлигнина, полученных из мха гипнового содержание углерода составило 62,2 % от массы органического вещества, содержание водорода – 5,5 %, кислорода – 31,3 %. Исследования Пересыпкина В.И. и др.

(2003, 2004) показали, что во мхах и лишайниках, отобранных в совершенно разных частях планеты, содержится лигнин, представленный в основном ванилиновыми и, в меньшей степени, n-оксибензойными структурами, а сиреневые структуры обнаружены в следовых количествах.

Изучение лигнина в водорослях (макрофитах) приобрели актуальность после обнаружения в определенных типах пелагических и прибрежных осадков состава фенольных соединений, нехарактерных для терригенного органического вещества (Пересыпкин В.И., 2002). Ранее существовало мнение, что в водорослях лигнина нет, а появился он лишь с переходом растений к наземному образу жизни. Исследования в 13 видах макрофитов (бурых, зеленых, красных водорослей) показали преобладание n-оксибензольных соединений, над всеми остальными структурами во всех типах макрофитов, хотя сумма всех в составе их ОВ невелика – 2 % (Пересыпкин В.И. и др., 2002).

Представления о филогении лигнина нашли новое подтверждение после открытия ароматических структур лигнина в клеточной оболочке пыльцы и спор. Пыльца и споры являются живыми клетками – носителями наследственной информации растений, в связи с чем их роль в эволюции растений особенно велика. Стенка зрелой пыльцы состоит из трех химически и структурно различающихся слоев: внешний слой – эктэкзина – состоит их спорополенина, эндекзина содержит большое количество лигнина, в то время как интина состоит из целлюлозы. Пыльца и споры широко распространены.

Брукс приводит данные для некоторых древесных растений: одно дерево сосны образует за 50-летний период 6 кг пыльцы, ели – 20 кг, бука – около 8 кг.

Споры и пыльца присутствуют во многих осадочных отложениях, в ископаемых углях они иногда слагают отдельные слои, а споровый липтобиолит состоит почти целиком из оболочек спор. И все же в природе нет обособленных крупных отложений оболочек пыльцы и спор. Это объясняется тем, что значительная их часть разрушается или подвергается преобразованию в различных условиях. Быстрое разрушение спор происходит в условиях хорошей аэрации и высокого значения рН среды. Наиболее сильное разрушающее действие на пыльцу оказывает совокупность физических, химических и микробиологических факторов. Сохранность пыльцы в кислых почвах они объясняют образованием минеральных капсул вокруг пыльцевых зерен. Под влиянием повышенной температуры и давления в лигнине легко идут необратимые процессы конденсации. Такие процессы характерны также и для каротиноидов. Приведенные сведения о строении и химическом составе оболочки пыльцы и спор позволяют представить, что устойчивость их оболочки определяется наличием в ней макромолекулы лигнина и полимера каротина и каротиноидных эфиров с жирными кислотами (Манская С.М., Кодиной Л.А., 1975).

Но главным резервуаром лигнина, а, следовательно, и источником, в биосфере являются почвы в разных природных зонах и различных экосистем.

Например, экосистемы лесной зоны - главные элементы биосферы, где идет активный сток углекислого газа в почву (Л.О. Карпачевский, «Экосистемы России, 2007»). И это несмотря на то, что тропические леса занимают 1,7 млрд.

га (FAO, 2005). Почвы сохраняют отчетливо больше углерода (приблизительно 1600•1015 г), чем атмосфера (700•1015 г) или растительность 60•1015 г) Почва имеет центральное значение не только как (Bouwman A.F., 1990).

источник углерода, но и как сток (накопитель) углерода. В природе на формирование почв и поддержание их в должном состоянии тратится до 50 % и более ежегодно синтезируемой органической продукции и биогенных потоков энергии (Хильми Г.Ф., 1978).

Комплексная ароматическая структура и гидрофобные свойства лигнина, а также его высокая биохимическая стабильность предопределяют уникальную роль этого биополимера в процессах гумификации и планетарном круговороте углерода. Учитывая, что лигнин содержит на 50 % больше углерода на единицу веса, чем составляющая 57-77 % опада целлюлоза, можно утверждать, что устойчивое к биохимическому разложению обсуждаемое соединение (лигнин) тем самым выводит углерод из кругооборота на значительные периоды времени, входя своими ароматическими структурами в состав гуминовых кислот. При этом роль лигнина в образовании гумусовых веществ является общепризнанным фактом. Так, по данным Ковалева И.В., Ковалевой Н.О., (2013) в луговой степи содержание суммы лигниновых фенолов в гуминовых кислотах составляет 159 кг/га, а в почве в целом – 5 кг/га.

Необходимо обратить внимание и на побочный (технический) источник лигнина на так называемый гидролизный лигнин (ГЛ). Из всех видов биомассы важнейшим для промышленной химической переработки является древесина. Мировые запасы ее определяются ориентировочно в 350 млрд.м3. В этом основное преимущество растительной биомассы перед другими источниками сырья в аспекте ее будущего использования. Общее количество перерабатываемой древесины в мировом масштабе составляет около 2 млрд. м3, где на долю химической переработки приходится около 15 % (Комаров А.А., 2004). Гидролизный лигнин превратился из отхода производства в ценное сырье для сельского хозяйства (биопрепараты и удобрения). Таким образом, возникла стратегически обоснованная задача поиска путей наиболее эффективного использования ГЛ. Потребовался анализ всего имеющегося материала и пересмотр отношений к лигнину (Комаров А.А., 2004).

Немаловажное значение в исследованиях имеет участие как самого лигнина в процессе гумификации, так и продуктов его трансформации в роли физиологически активных регуляторов, и их включение в динамику биопродукционного процесса, что еще недостаточно изучено (Орлов, Якименко, Аммосова, 1993;

Хмелинин, Швецова, 2000;

Виноградова, 2000;

2001;

Чеботарев и др., 2001 (цит. по Комарову А.А., 2004), в этой связи возникают проблемы сертификации структурно-функциональных свойств гуминовых препаратов, лигнитов, лигно-гуматов (Якименко О.С., Терехова В.А., 2011).

1.4. Разложение лигнина Дальнейшие превращения полимера в почвах определяются гидротермическими условиями среды и физико-химическими свойствами почв, активностью микробиоты.

Вопросам разложения лигнина почвенной микробиотой посвящена огромная литература, среди которой, прежде всего, важное значение имеют работы А.Г. Трусова (1917), С.А. Ваксмана с соавторами (Waksman et al., 1928, 1931, 1938;

Виноградский С.Н., 1952;

Мирчинк Г.Г., 1976;

Kirk et al., 1976;

Теппер Е.З., 1976;

Гиляров М.С., Стриганова Б.Р., 1978;

Neuhauser, Hartenstein, 1978;

Cartwright H.J., Holden K.S., 1983;

Дзержинская И.С., 1987, 1991;

Мюллер Э., Леффлер В., 1995;

Переведенцева Л.Г., 1999;

Schink B., Philipp B., Muller J., 2000;

Singal V., Rathore V.S., 2001;

Заварзин Г.А., 2004;

Кузнецов A. E., 2006;

Кивелев К.В., 2007 и др.).

Считается (Заварзин Г.А., 2004;

Кузнецов А.Е., 2009), что основными разрушителями являются аэробные базидиомицеты. Биодеградация лигнина это окислительный процесс, осуществляемый в первую очередь грибами бурой, мягкой и белой гнили Научные основы (Кузнецов A. E., 2009:

экобиотехнологии. С. 408-410). Грибы бурой гнили (Coniphora puteana, Trichoderma viride и др.) обладают мощным комплексом гидролитических ферментов, расщепляющим полисахариды древесины и лишь незначительно затрагивающим лигнин. Грибы бурой гнили до начала деполимеризации целлюлозы окисляют легкоусваиваемые сахара с образованием H2O2, которая участвует в расщеплении кристаллической целлюлозы. Лигнин при действии этих грибов подвергается только деметилированию. Ферментные системы разрыва ароматических колец и усвоения образующихся продуктов окисления у них отсутствуют.

Грибы мягкой гнили (аскомицеты и дейтеромицеты Penieillium, Aspergillus, Fusarium, Alternaria и др.) используют в основном углеводы древесины и участвуют в реакциях деметоксилирования и дегидроксилирования лигнина (Заварзин Г.А., 2004).

Грибы белой гнили сначала разрушают лигнин, образуя преимущественно белые (коррозионные) гнили, то есть оставляют светлые волокна целлюлозы (отсюда название белой гнили), либо утилизируют все компоненты древесины. Большинство этих грибов - высшие базидиомицеты, например плоский трутовик (Ganoderma applanation), отдельные виды Fomes (настоящие трутовики), опята (Armillariella), разноцветная кожистая губка (Trametes versicolor), Phanerochaete chrysosporium (Sporotrichum pulverulentum), вешенка устричная (Pleurotus ostreatus), Polyporus versicolor, Poria subacida, Panus conchatus Polystictus versicolor, Stereum hirsutum, Trametes versicolor, Phlebia radiata, Bjerkandera adusta, Nematoloma frowardii и др. (Кузнецов А.Е., 2009).

Грибы белой гнили единственная группа микроорганизмов, разлагающих все компоненты растительной массы, что обусловлено синтезом ими большого набора гидролитических и окислительных ферментов, а также высокой проникающей способностью мицелия в субстрат. Всего в процессе деструкции лигноцеллюлозы грибами белой гнили участвуют более десяти разных ферментов.

В разложении лигнина участвуют следующие основные ферменты:

лигниназа (лигнинпероксидаза, LiP (ЕС 1.11.1.14));

Mn-зависимая пероксидаза (марганцевая пероксидаза (ЕС 1.11.1.14));

лакказа (внеклеточная оксидаза) (ЕС 1.10.3.2), тирозиназа (фенолоксидаза) (Заварзин Г.А., 2004). Среди механизмов деструкции лигнина выделяются: прямая генерация низкомолекулярных медиаторов окисления и различных форм окисления лигнина пероксидазой;

окисление хелатными комплексами радикалами пероксидов Mn(III), ненасыщенных жирных кислот, тиолов (Mn-пероксидазы);

воздействие активных форм кислорода (лакказы);

фентоновские реакции - цикл CHG при сопряженном окислении целлюлозы, восстановление Fe (III) фенолами (у грибов «бурой гнили»). Разрушение лигнина с участием Mn-пероксидазы зависит от наличия в среде ионов Mn2+ и комплексонов, а также стабильности активированного ферментом комплекса. Лигнолизис и секреция лигнолитических ферментов зависят от вида грибов. Основными факторами являются концентрация, форма существования углевод- и азотсодержащих соединений, концентрация ионов Mn2+, Cu2+, Mn3+, присутствие тяжелых металлов и их комплексонов, а также рН, температура, аэрация, освещенность (Кивелев К.В., 2007).

В ходе разрушения целлюлозы и лигнина образуются H2O2, О·", целлобиоза, глюкоза, целлобионовая кислота, феноксильные радикалы. При этом одна часть образующихся фрагментов непосредственно минерализуется лигнолитическими ферментами (марганец-зависимой пероксидазой (ЕС 1.11.1.14), лигнин-пероксидазой (EC 1.11.1.14) и, в определенных условиях, лакказой (Wong D.W.S., 2008). Интересно отметить, что благодаря высокому редокс-потенциалу (1.2–1.5 В) лигнин-пероксидаза обладает уникальной способностью осуществлять прямое окисление нефенольных структур лигнина, которые составляют до 90 % от массы полимера. Основная реакция – разрыв – или связей фенилпропановых цепей с образованием O–4 C–C бензальдегидов. Возможно также окисление фенольных соединений и ароматических аминов до фенокси-радикалов.

а) б) Рис. 6. Окисление модельных соединений лигнина: а) – лигнин-пероксидазой;

б) – Mn зависимой пероксидазой (по Wong, 2008, цит. Заварзиной А.Г., 2010) Помимо фермента, второго по значимости, Mn-пероксидазы следует отметить еще и другой лигнолитический фермент базидиомицетов, например Rhizoctonia praticola – лакказу (Bollag J.M. et al., 1982), хотя функции ее при деструкции древесины до конца не выяснены, однако, известно, что в определенных условиях лакказа, как и лигнолитические пероксидазы, может катализировать деструкцию растительных полимеров.

Грибы белой гнили обеспечивают эффективную минерализацию лигноцеллюлозных субстратов. С помощью различных методов удалось выявить способность к разложению лигнина также у представителей некоторых других родов: Pholiota, Clitocybe, Lenzites, Panus, Poria, Trametes и др.

(Кузнецов А.Е., 2009). Из биодеструкторов лигнина помимо грибов белой гнили выделяют грибы, разлагающие лесную подстилку, в частности грибы базидиомицеты Agaricus bisporus (шампиньон), Coprinus comatus (копринус), Stropharia (строфария) и др. Есть также грибы, действующие одновременно на лигнин и целлюлозу, например, Pleurotus ostreatus, Ganoderma applanatum, Polyporus adustus, Armillaria mellea.

Грибы бурой гнили не продуцируют лигнолитические пероксидазы;

данные о продукции лакказы крайне малочисленны (Liu W. et al., 2004;

Wei D.

et al., 2010) и функции ее требуют уточнения (Заварзина А.Г., 2010). Считается, что деструкция целлюлозы и частичное окисление лигнина осуществляется активными формами кислорода или гидроксильными радикалами, образующимися при реакции Фентона (Fe2+ + H2O2 + H+ Fe3+ + •OH + H2O) (Goodell, 2003). •OH-радикалы не могут катализировать разрыв -1 и -O- связей в лигнине и его трансформация сводится к деметилированию и деметоксилированию ароматических колец с образованием гидроксифенолов, а также окислению боковых алифатических цепочек с образованием СООН групп. Частично окисленный темноокрашенный лигнин обогащен фенольными (OH) и карбоксильными (COOH) группами и обеднен метоксильными группами (OCH3), приближаясь, таким образом, к ГК по составу функциональных групп и физико-химическим свойствам (Kirk Т.К., 1975).

Среди агариковых грибов способностью к разрушению лигнина обладают представители таких родов, как негниючник (Marasmius), мицена (Mycena), коллибия (Collybia), составляя около 20 % от числа видов, встречающихся в лесах. Агариковые грибы относятся к отряду базидиальных грибов и насчитывают 10 тыс. видов. Под воздействием этих грибов разрушается до % листьев дуба и клена (Переведенцева Л.Г., 1999). Некоторые грибы могут разрушать лигнин даже в живых растениях. Разрушение древесины чистыми культурами грибов происходит так медленно, что эксперименты растягиваются на месяцы и даже годы. Разрушение лигнина происходит в результате большой группы окислительных внеклеточных лигнолитических ферментов. Этому способствует также наличие у грибов ферментного аппарата, разлагающего высокополимерные углеводы (клетчатка) и ее комплексы (сополимеры) с лигнином (лигнифицированную клетчатку).

Частично разлагают лигнин и прокариоты: актиномицеты рода Streptomyees, бактерии pp. Acinetobacter, Aeromonas, Nocardia, Pseudomonas.

Эти микроорганизмы играют важную роль в деградации лигнина в нейтральной и щелочной зонах почвы, в которых лигнинолитические грибы не могут конкурировать с ними. Актиномицеты участвуют в деметилировании ароматических колец молекулы лигнина, окислении боковых цепей и расщеплении эфирных связей. Они переводят лигнин в растворимое состояние, но полностью его не минерализуют. Бактерии минерализуют лигнин в процессах соокисления, кометаболизма, в частности в присутствии глюкозы.

Анаэробные микроорганизмы не разрушают лигнин, но анаэробные бактерии p.

Clostridium способны трансформировать алифатическую часть лигнина.

Никитина с соавт., (2009) установили способность некоторых штаммов эндофитов и свободноживущих в ризосфере бактерий способных продуцировать различные лигнин-пероксидазы, Mn-пероксидазы, фенолоксидазы и разрушать лигнин. Однако, только в результате совместных действий смешанных микробных популяций достигается синергетический эффект трансформации лигниновых структур. Пероксидазы, лакказы полифенолоксидазы ферменты, катализирующие окислительно восстановительные реакции принимают участие как в реакциях расщепления и деполимеризации природных полимеров, например лигнина, поскольку первым этапом в этих реакциях является гидроксилирование структурных единиц, содержащих ароматическое ядро, так и принимают участие в реакциях синтеза гуминовых веществ (реакции полимеризации) (Simmons K.E. et al., 1988;

Тейт Р., 1991). Значение бактерий является решающим фактором на последних стадиях разложения лигнина и других ароматических веществ, когда происходит расщепление ароматического кольца с образованием алифатических продуктов. Бактерии расщепляют ароматические кольца простых фенольных соединений – продуктов разрушения лигнина грибами.

При воздействии микроорганизмов на лигнин имеют место в основном ограниченные, локальные, изменения молекулы полимера без нарушений его структуры. Среди мономерных продуктов разложения лигнина бактериями наиболее типичны ванилин и ванилиновая кислота, а также их гомологи сиреневого ряда.

Кононова М.М., (1963) показала, что необходимым условием для окисления фенолов микроорганизмами является хорошая аэрация среды и невысокая концентрация фенолов: 0,025-0,05 % - для бактерий, до 1 % - для плесневых грибов. Без кислорода грибы не могут развиваться, и потому насыщенная водой древесина хорошо сохраняется, например, затопленные суда в океане (Пересыпкин В.И., 2010). Все перечисленные микроорганизмы переводят лигнин в водорастворимую форму с помощью расщепления связей метоксильных групп путем введения дополнительных гидроксильных и других полярных групп в молекулу лигнина.

В почве природный лигнин разлагается лигнолитическими микроорганизмами за несколько лет, частично минерализуясь, частично участвуя в образовании почвенных гуминовых и фульвокислот. В оптимальных условиях некоторые смешанные культуры микроорганизмов расщепляют лигнин на 40-55% через 15-20 суток. В аэротенке при очистке сточных вод, образующихся в производстве древесно-волокнистых плит, лигнин распадается в течение 3-5 суток. Вначале в разложении лигнина грибами участвуют внеклеточные ферменты и активные частицы-окислители. Поскольку грибы, разрушающие лигнин, обычно выделяют фенолоксидазы, считают, что именно эти ферменты ответственны за отщепление ароматических соединений. До сих пор, однако, не удалось доказать эту функцию фенолоксидаз при разрушении лигнина;

в особенности это касается разрыва углерод-углеродных или эфирных связей. В последующем разрываются C–C и C–O связи, происходят деметилирование, декарбоксилирование, окисление боковых групп с образованием -карбонильных и -карбоксильных остатков, остатков дифенолов. Остатки дифенолов расщепляются под действием внутриклеточных диоксигеназ по орто- или мета-пути. В результате неспецифичного ферментативного воздействия образуется много промежуточных продуктов, в частности соединения фенольной природы: ванилин, сиреневый альдегид, n гидроксибензальдегид. При трансформации лигниновых полимеров, прежде всего, имеют место реакции расщепления и деструкции боковых цепочек.

Возникающие промежуточные нестабильные радикалы присоединяют доступный кислород или воду, и первоначально компактные гидрофобные структуры лигнина сильно разрыхляются, увеличивается его водорастворимость (Haider К., 1998).

Остаточный лигнин существенно отличается от исходного: уменьшается число ОСН3-групп, увеличивается содержание кислородсодержащих групп (ОН, СНО, СООН), при этом снижается выход альдегидов (сиреневого и ванилина) и возрастает содержание соответствующих фенольных кислот (Манская С.М., Кодина Л.А., 1975;

Пен В.Р., Пен Р.З., Тарабанько В.Е., 1998).

1.5. Роль лигнина в формировании гумуса почв (разложение, скорость трансформации лигнина в почве и его роль в гумусообразовании) Проведенный обзор механизмов реакций окислительного взаимодействия ароматических веществ и участия в этом микроорганизмов (Sjoblad R.D., Bollag J.-M., 1981) показал, что синтез гуминовых веществ (ГВ) может происходить как под действием ферментов (например, фенолоксидаз или пероксидаз), так и с помощью свободных радикалов. Князевым Д.А., Фокиным А.Д., Очкиным А.В., (2009) предложена химически хорошо обоснованная гипотеза образования ГВ путем свободно-радикальных реакций поликонденсации низкомолекулярных органических соединений, не зависящих от ферментативного катализа. Суть заключается в том, что широко (ОН -), распространенные в природе радикалы, в частности гидроксильные могут взаимодействовать с органическими веществами. Отрывая атомы водорода, либо присоединяясь по двойным связям, в результате чего происходит «сшивание» двух свободных радикалов или двух фрагментов макромолекулы ГК с образованием кольца.

При взаимодействии ароматических мономеров, содержащих свободные радикалы, должны образовываться химические структуры со связями С–С, С– N, C–O, N–N в орто- или пара-положениях (Тейт Р., 1991). Подтверждением тому, что гумификация способна протекать по описанному механизму, может служить гипотетическая структура ГК, разработанная Стивенсоном Ф. Дж.

(Stevenson F. J., 1982), которая содержит связи между бензольными кольцами в орто- и пара-положениях.

Разложение лигнина в почве, как и распад (разложение) органического вещества в почве в целом (тесно взаимосвязанный с процессом синтеза) – процесс трансформации органических остатков на поверхности и внутри минерального профиля, который ведет к прекращению существования растительных и животных тканей как целостного образования, к исчезновению клеточных структур, к превращению полностью или частично более сложноорганизованных молекул органического вещества в более простые, вплоть до продуктов полной минерализации (Гришина Л.А., 1986).

Процессам разложения лигнина в почвах и его роль в формировании гумуса почв также имеет более чем столетнюю историю, начиная с работы П.А.

Костычева, (1886) «Почвы Черноземной области России, их происхождение, состав и свойства», где приводятся ссылки на работы Меллера (Moeller E., 1878), Вольни (Wollny E., 1886). На ведущую роль органического вещества растительного происхождения, а, следовательно, и лигнина, указывал и В.В.

Докучаев (1899). «Понятно, естественно и крепко постоянно генетическая связь между почвами и обитающими на них растительными организмами. По характеру перегноя в особенности, таежные почвы далеко не те, что лугово степные. Есть даже полные основания надеяться, что в ближайшем будущем, мы сумеем легко отличить между собой не только степные и лесные почвы, но и земли березовые, липовые, дубовые, буковые и пр.». Эту же мысль в дальнейшем развивает Р.В. Вильямс (1939).

К настоящему времени не затухает дискуссия относительно того, какие факторы, и в особенности, климат или состав опада, а в последнее время и видовой состав микроорганизмов – в большей мере определяют скорость разложения органического вещества. Деструкция лигнина следует в общем кинетике первого порядка и вряд ли зависит от рН почвы, наличия или отсутствия растительного покрова (Jenkinson D.S., und Rayner J.H., 1977;

Donelly P.K. et al., 1990). Более сильное влияние оказывает содержание ила и состав илистой фракции (Jenkinson D.S., und Rayner J.H., 1977;

Martin J.P. und Haider K., 1986) на деструкцию лигнина и полисахаридов. Но по Jenkinson D.S.

und Ayanaba A., (1977) как и по Mathes K. und Schriefer T., (1985) элементы климата, такие как среднегодовая температура и среднегодовые осадки оказывают значительное влияние на деструкцию лигнина. Так, из работ по почвам северо-американских прерий известно, что с увеличением отношения среднегодовые осадки/к среднегодовым температурам содержание сахаров в органическом веществе верхних горизонтов возрастает (Amelung et al., 1997).

Лигнин сокращается, прежде всего, тогда, когда одновременно в качестве источника углерода служат другие субстраты (Kirk T.K. et al., 1976). Поэтому для деструкции лигнина будет решающим, когда в распоряжении микроорганизмов имеются легко разлагаемые источники углерода, как полисахариды. Это имеет место для местностей с высокими величинами отношения осадки/к испарению. Такую климатически зависимую связь динамики лигнина и полисахаридов предположил W. Amelung (1997) для почв северо-американских прерий. Лигнин тем слабее окисляется, чем теплее климат, возможно, потому что дополнительным источником углерода служат быстро минерализуемые полисахариды, которые необходимы при метаболической деструкции лигнина (Amelung W., 1997). Амелунг В. (1977) делает вывод о том, что в почвах северо-американских прерий лигнин и сахара прямо не зависят от растительности, рельефа, физических и химических свойств почв, а, соответственно, от распределения среднегодовой температуры и среднегодовых осадков. Rodionov A., (1999) в зональных почвах Русской степи показал, что с увеличением среднегодовой температуры и уменьшением количества осадков падает количество полисахаридов. В относительно влажных нижних слоях (50-60 см) при низких значениях отношения осадки/испарение микроорганизмы, предположительно могут сахара минерализовать за более длительный промежуток времени, чем в более сухих верхних горизонтах. При этом лигнин возможным образом селективно обогащается, преимущественно во фракции пыли (Rodionov A., 1999).

Более ранние работы (Bracewell J.M., et al., 1976) также предполагали, что для степных почв климат оказывает влияние на химическую структуру органического вещества почв. Molloy L.F. und Speir T.W. (1977) установили, что в условиях экстремального климата (холодный, аридный) основной вклад для количества органического вещества почвы вносят полисахариды растительных остатков. Tate K.R. und Churchman G.J., (1978) установили, что внутри трансекты почв в Новой Зеландии степень гумификации падает, если возрастает гумидность.

В лесных почвах отдельная взаимосвязь показана между климатом и качеством органического вещества почв. Так, Arshad M.A. und Schnitzer M.

(1989) показали, что ароматичность гуминовых кислот в кенийских почвах отрицательно коррелирует с количеством среднегодовых осадков. Zech W., (1989) также сообщали об отрицательной Haumaier L. und Kgel-Knabner корреляции между ароматичностью органического вещества почвы и отношением осадки/ к температуре. Для почв прерий Северной Америки не существует такой связи (Amelung W., 1997), очевидно здесь ароматизация органического вещества почв не является пригодным индикатором, указывающим на влияние климата на органическое вещество почв. Хотя в общей сложности, до сих пор, мало известно, как климатический фактор оказывает влияние на химический состав органического вещества (лигнина) и какие процессы за это ответственны.

Для скорости разложения органического вещества показано, что среди особенностей биохимического состава наиболее важное значение имеют:

содержание лигнина как наиболее медленно разлагающего в природе материала растительных тканей и практически не разлагающего в чистом виде микроорганизмами, в отсутствии углеводов в качестве источников энергии et al., 1976);

содержание нерастворимых полимеризованных (Kirk T.K.

углеводов (целлюлозы и гемицеллюлозы), в большой степени подверженных разложению (в чистом виде);

содержание растворимых органических углеводов, легко вымывающихся и минерализующих с очень высокой скоростью;

содержание фенольных и полифенольных соединений, роль которых в физиологии растений окончательно не ясна, но которые, по видимому, выполняют некие регуляторные функции в разложении опада (Gosz I.R., 1981).

Поскольку указанные фракции имеют различную энергетическую ценность для микроорганизмов, скорость разложения закономерно убывает во времени и на поздних стадиях разложения определяется фактически скоростью разложения лигнина, поскольку его доля в течение деструкции может увеличиваться в два и более раз (цит. по Регуляторная роль почвы…., 2002).

Более того, часть целлюлозных компонентов может образовывать комплексы с лигнином, поэтому их разложение на поздних стадиях также определяется скоростью минерализации лигнина. Это привело ряд исследователей (Berg B., Agren G., 1984) к выводу о том, что лигнины, целлюлозы и гемицеллюлозы можно рассматривать как единый компонент – лигноцеллюлозный комплекс – в моделях динамики разложения опада. Действительно, целлюлозные волокна как бы «встроены» в матрицу из лигнина, пектиновых веществ и гемицеллюлозы и, кроме того, образуют ковалентные связи друг с другом (Lundquist K. et al., 1980). По Тонеду и др. (Taneda et al., 1985) углеводы также в гумусовых кислотах связаны ковалентными связями аналогично белкам и аминокислотам (цит. по Регуляторная роль почвы…., 2002). Возможно, в этом заключается объяснение выявленного в работе Миндермана (Minderman G., 1968) феномена, заключающего в том, что разложение растительного опада в целом не тождественно сумме экспоненциальных функций разложения индивидуальных компонентов вследствие «маскирующего» эффекта лигниновых веществ. «Маскирующее» воздействие трудно гидролизуемых гумусовых веществ также учитывают и Чертов О.Г. и Комаров А.А. (1996) в предложенной ими модели.

Molloy L.F. et al. (1977) показали, что в американских прериях лигнин наряду с полисахаридами является доминирующей составной частью в травянистой подстилке и корневых остатках. Как только микроорганизмы разлагают лабильную часть подстилки, содержание лигнина в подстилке оказывает влияние на их трансформацию (Melillo J.M. et al., 1982). Parton W.J.

et al., (1987) применил отношение лигнин/к азоту (L/N) для разделения тяжело (= метаболический углерод с узким L/N) и легко разрушаемых растительных остатков (= структурный углерод с узким L/N) в почве, эти подразделения можно использовать для прогноза динамики органического вещества почвы в американских прериях. Правда, до сих пор отсутствуют сведения, с помощью которых Parton W.J. et al., (1987) смог мысленно представить теоретическое обоснованное разделение составных частей подстилки.

Сахара являются важнейшей составной частью травянистой подстилки и корневых остатков (Molloy L.F. et al., 1977). Почвенная фауна и микрофлора используют растительные сахара (пентозы) в качестве источника углерода и энергии. Одновременно микроорганизмы синтезируют гексозы и обогащают ими почву (Cheshire M.V., 1979;

Dormaar J.F., 1984;

Murayama S., 1984).

Наличие аминосахаров в почвах – это первые признаки микробного сообщества, участвующего в превращении органического вещества (Benzing Purde L., 1981;

1984). Содержание различных сахаров может быть важнейшим свидетельством, для оценки доли микробного азота в органическом веществе почв. Отношения аминосахаров могут служить следами происхождения аминосахарного азота в почвах. Так как мурамин в почвах продуцируется бактериями, отношение глюкозамин/мурамин может быть индикатором вклада бактериальных сахаров в органическое вещество почв по сравнению с другими источниками (Parsons J.W., 1981;

Kenne L.K. und Lindburg B., 1983;

Coelho R., Аминосахара могут косвенно Sacramento D., and Linhares L. (1997).

характеризовать деструкцию и такого устойчивого соединения как лигнин в почвах (Ковалев И.В., Ковалева Н.О., 2012). Поэтому решающим для микробной деструкции лигнина является наличие легко разрушаемых источников углерода, таких как полисахариды.

Скорость разложения лигнина сильно зависит от типа растительной ткани. Эксперименты по скорости разложения в почвах генетически модифицированных листьев табака (в течение 77 дней) показали, что немодифицированный лигнин разлагается заметно быстрее (в 1,5-2 раза) по сравнению с Wild-type (Hopkins D.W., Webster E.A., Chudek J.A., Halpin C., 2001). Оценка скорости и динамики разложения лигнина различных фракций опада хвойных лесов Валдайской возвышенности выполнена и Гришиной Л.А.

и др. (1990). Показано, что лигнин как наиболее устойчивое соединение относительно накапливается в разлагающемся опаде. Содержание лигнина снижается очень медленно на начальных стадиях разложения, со временем скорость процесса возрастает. Максимальные потери лигнина в течение первого полугодия обнаружены в опаде ветвей ели, минимальные – в вайях щитовника и листьях дуба. Можно заключить, что скорость разложения на начальных стадиях обратно пропорциональна содержанию питательных веществ, в том числе азота и легкодоступных (углеводы, белки) для микроорганизмов органических соединений в опаде. На более поздних стадиях интенсивность распада лигнина может быть обусловлена различиями структуры лигнина, а также преобладанием популяций микроорганизмов с разной способностью к разрушению связи лигнина с полисахаридами (Гришина Л.А. и др., 1990). Л.Г. Богатырев с соавт. (1999) отмечает, что содержание кислоторастворимого лигнина в изученных ими подстилках Русской равнины максимально в их нижних горизонтах (слоях), что обусловлено большей степенью гумифицированности в последних. Среди всех типов подстилок самые низкие величины содержания лигнина по Класону свойственны подстилкам южнотаежной подзоны, что объясняется его постоянным выносом в условиях промывного водного режима. Stott D.E. et al., (1983) с меченным атомом углерода показали, что за 6 месяцев инкубации пшеничной соломы было потеряно 6-21 % лигнина в виде углекислоты, тогда как потери полисахаридов и белковой фракции составили 71-81, 63-75 %, соответственно. Быстрее всего окислялся углерод метоксигрупп, несколько медленнее – углерод боковых цепей, минимальной скоростью окисления отличался углерод бензольного кольца. При этом, большая часть маркировочного углерода лигнина использовалась на синтез гуминовых кислот.

Ранее Фокин А.Д., (1975) в своей гипотезе о фрагментарном обновлении гумуса показал, что углерод лигнина начинает обнаруживаться в составе гумуса спустя 1-2 месяца после начала компостирования, доля его увеличивается со временем. За год компостирования хвои ели в гумусовые вещества включается 18-21 %, а корневого опада – 56-64 % углерода из лигнина.

По расчетным данным Гришиной Л.А., Копцик Г.Н., Макарова М.И., (1990) половина массы лигнина разлагается за 3-15 лет, 95 % массы – 10- года. Ежегодно при разложении опада хвои ели разлагается 313, ветвей ели – 85, хвои сосны – 15 кг/га лигнина.

В исследованиях долинных сосновых БГЦ (Серебряный бор) Смагиным А.В. (2011) показано, что из-за высокой устойчивости лигнина к разложению большие его количества остаются в подстилке обоих типов леса. Так, опад хвойных и зимне-зеленых растений, благодаря большой доле полифенольных соединений, воско-смол (экстрактивное вещество) и других трудно гидролизуемых соединений разлагается достаточно медленно, способствуя формированию больших (до 40 т/га) запасов детрита на поверхности почвы. По мере разложения детрита, высвобождающиеся биофильные элементы закрепляются в минеральном горизонте, чему способствует не только рост концентрации и запасов органического вещества, но и его качественное преобразование. В почвах сложных боров гумус приобретает модер-муллевый характер, который подтверждается морфологическими, а также аналитическими показателями: снижением отношений C:N и ОСН3/ к лигнину (Смагин А.В., 2011). Отношение ОСН3 / к лигнину используется в качестве показателя состояния органического вещества, поскольку лигнин – основной источник лесного гумуса, а интенсивность его гумификации прямо пропорциональна деметоксилированию (Браунс Ф.Э., Браунс Д.А., 1964;

Орлов Д.С., 1985).

Свое представление о скорости распада лигнина в природных условиях при разложении древесины дает Krik А.А., (1974). Сосновые стволы диаметром до 16 см превращаются в трухлявую гниль через 15 лет, диаметром 20-25 см – через 40-50 лет и более, крупные – за 90 лет и более. Скорость 0,006-0,033 год-1. Действие разложения сухостоя и валежника составляет металлов на разложение лигнина различно. Ферментные системы, участвующие в разложении лигнина могут не работать при низком содержании, например Zn.

Так, при определенных концентрациях Zn2+, Cu2+ увеличивается активность лигнолитических энзимов (пероксидазы и Mn-пероксидазы (Singal V., Rathore В то же время были получены данные об ингибировании V.S., 2001).

деструкции лигнина оксидами Fe и Al. Эффект ингибирования проявляется в изменении доступности органического вещества (Miltner A., Zech W., 1998).



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.